1实验内容
本系列实验中，“VoyagerIIA”机器人使用的电机是90W空心杯伺服电机，是直流电机。“VoyagerIIA”机器人实物如图1所示。要求学生学会从实际对象中抽象出数学模型，建立被控对象，即机器人控制电机的传递函数，并分析搭建整个实验控制的系统框架。本实验对“VoyagerIIA”机器人的速度进行控制，根据减速比和转子直径可以计算出机器人移动的实际速度。因为控制滞后小，所以将控制对象（也就是电机）的数学模型等效为一个比例环节，而在机器人实际的行进过程中，因为轮子打滑等因素的影响，机器人的行走速度达不到期望的值，所以需要对控制算法中一些参数进行反复调节。
实际速度的检测是通过超声传感器检测距离，再对距离进行求导得到，并与期望的行走速度值进行比较，通过不同的控制方法（PID控制、最少拍控制和有限拍无纹波控制）对速度值进行校正。实验将设计性、研究性和综合性融为一体。学生自主设计控制方案，采用不同的数字控制规律，自行编译控制算法并进行闭环控制调试，通过对机器人行走速度精度的分析，提出改进控制算法的措施。可以使学生有效地理解计算机控制技术在控制系统设计应用中的原理和方法，了解不同控制规律的控制算法软件编译设计与硬件实现之间的关系，学会解决实际控制系统应用中的各种控制问题。
2实验模块
本实验分为4个主要模块。
2.1搭建系统控制模型模块
要求学生具有分析和搭建该计算机控制系统控制模型的能力，该实验数字控制系统的主要控制环节见图2。系统给定速度输入V0（t）和系统速度输出V（t）之差为误差信号E（t），将误差输入给控制算法即控制器，由控制器输出控制量U（t）实现对被控对象的调节。
2.2连续系统离散化模块
本实验采用基于离散控制理论的直接数字控制方法，被控对象要用离散模型来描述，或用离散化模型来表示连续被控对象。要求学生理解和掌握将连续的模拟被控对象转化为离散模型的原理和方法，采用不同的离散方法，如双线性变换法、脉冲响应不变法（Z变换法）、阶跃响应不变法（具有采样－保持器的脉冲响应不变法）和零、极点匹配Z变换法等，并对比控制结果，分析各种方法的优劣。
2.3控制律设计模块
要求学生理解和掌握PID控制、最少拍控制、有限拍无纹波控制的区别、原理以及控制器编译算法。在已知被控对象数学模型的前提下，根据离散系统理论，采用直接设计法对计算机控制系统进行分析，综合设计出数字控制器的传递函数。利用VC＋＋软件的灵活性，可以实现从简单到复杂的各种控制律。3．4闭环系统调试要求学生通过上机调试，对误差精度进行分析，调整并确定不同控制律下数字控制器编译算法中的相关参数，以达到期望的控制结果。
3实验的组织和实施模块
“VoyagerIIA”机器人行走控制系列实验设计了4个实验项目，共计20学时。要求学生自学VC＋＋编程，掌握基本的编程操作。本实验适用于电气工程自动化专业、机械设计制造及其自动化专业（大三、大四学生）。实验课时安排如下：（1）整定模拟机电系统参数，搭建整个闭环控制系统的数学模型（4个学时）；（2）连续系统离散化，对整个采样控制系统中的模拟环节如控制电机等进行离散化（2个学时）；（3）设计数字控制系统的控制律，可以按数字PID控制、最少拍控制、有限拍无纹波等多种控制算法编制程序（10学时）；（4）闭环调试，按给定的计算机闭环控制指标进行速度回路设计并进行实际控制测试（4个学时）。
4结束语
基于计算机控制技术的“VoyagerIIA”机器人行走控制系列实验，弥补了计算机控制技术课程以验证性实验为主的历史，学生只有将课堂知识灵活应用于实际控制系统才能完成实验。学生成为实验的主体，充分调动了学生的积极性和创造性，激发了学生的学习热情，培养了学生发现问题、分析问题和解决问题的综合能力。
作者：闫明明 杨平 熊静琪 单位：电子科技大学机械电子工程学院
